基于分時系統(tǒng)思想的單片機系統(tǒng)設計方案

1、摘要:提出基于分時系統(tǒng)思想的單片機系統(tǒng)設計方案，給出一具體應用的實例以及詳細的實現(xiàn)方法。 關鍵詞：分時操作系統(tǒng)單片機系統(tǒng)作業(yè)調度指針 前言作為嵌入式系統(tǒng)主控單元單片機，其軟件往往是一個微觀的實時操作系統(tǒng)，且大部分是為某種應用而專門設計的。系統(tǒng)程序有實時過程控制或實時信息處理的能力，要求能夠及時響應隨機發(fā)生的外部事件并對該事件做出快速處理。而分時操作系統(tǒng)卻是把cpu的時間劃分成長短基本相同的時間區(qū)間，即“時間片”，通過操作系統(tǒng)的管理，把這些時間片依次輪流地分配給各個用戶使用。如果某個作業(yè)在時間片結束之前，整個任務還沒有完成，那么該作業(yè)就被暫停下來，放棄cpu，等待下一輪循環(huán)再繼續(xù)做。此時cpu又

2、分配給另一個作業(yè)去使用。由于計算機的處理速度很快，只要時間片的間隔取得適當，那么一個用戶作業(yè)從用完分配給它的一個時間片到獲得下一個cpu時間片，中間有所“停頓”；但用戶察覺不出來，好像整個系統(tǒng)全由它“獨占”似的。分時操作系統(tǒng)主要具有以下3個特點：多路性。用戶通過各自的終端，可以同時使用一個系統(tǒng)。及時性。用戶提出的各種要求，能在較短或可容忍的時間內得到響應和處理。獨占性。在分時系統(tǒng)中，雖然允許多個用戶同時使用一個cpu，但用戶之間操作獨立，互不干涉。分時操作系統(tǒng)主要是針對小型機以上的計算機提出的。一般而言，微處理器（mpu）驅動的通用計算機，系統(tǒng)設計人員對每一臺的最終具體應用都是不得而知的，因此

3、，在價格允許的情況下，硬件設計務求cpu時鐘盡可能的快；計算及管理能力盡可能的強；程序和數(shù)據(jù)存儲器的容量盡可能的大；各種計算機外設的配接盡可能的詳盡等等，特別是采用分時操作系統(tǒng)的機器，因為是一機多用戶的管理系統(tǒng)，它的要求就更高了。相對而言，微控制器（mcu）俗稱單片機，是一個單片集成系統(tǒng)，它將這些或那些計算機所需的外設，諸如程序和數(shù)據(jù)存儲器、端口以及有關的子系統(tǒng)集成到一片芯片上。從硬件上，單片機系統(tǒng)與采用分時操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)是無法比擬的。但是，在單片機系統(tǒng)的設計中，設計人員對其最終具體應用是一清二楚的，它的使用環(huán)境相對是單一固定的。所控制的過程的可預見性為分時系統(tǒng)思想的實現(xiàn)提供了可能性。具

4、體一點就是：雖然單片機的cpu速度較低，但其任務是可預見的，這樣作業(yè)調度將變得簡單而無須占用很多的cpu時間，同時“時間片”的設計是具體而有針對性的，因此可變得很有效。一、單片機分時系統(tǒng)的設計單片機系統(tǒng)往往是一個嵌入式的控制系統(tǒng)，因此目前絕大部分的單片機系統(tǒng)還是一實時系統(tǒng)。能夠真正體現(xiàn)分時系統(tǒng)的設計思想的往往是那些多路重復檢測控制系統(tǒng)。即便是在這些多路重復檢測控制系統(tǒng)中，它的實時性也是非常重要的。也就是說，在單片機系統(tǒng)中應用了分時系統(tǒng)設計思想，但其及時性應首先進行考慮。1.對單片機分時系統(tǒng)硬件設計的建議隨著單片機性能的提高，單片機系統(tǒng)設計中的一些硬件功能軟件化是大勢所趨。但同時，一日千里的芯片

5、技術也為低成本的硬件完成高性能的功能提供可能。讓一種功能到底是通過硬件實現(xiàn)還是通過軟件來實現(xiàn)不能一概而論，只能是通過系統(tǒng)設計讓整個系統(tǒng)的性能價格比最高才是每個單片機系統(tǒng)設計者孜孜追求的目標。在單片機分時系統(tǒng)的硬件設計中，由于對系統(tǒng)的及時性的要求不能降低，而大多數(shù)單片機的處理速度相對而言是較慢的。因此，在接口硬件的設計上應采用一些能將信息量保持的器件，如觸發(fā)器、鎖存器。同時要求這些器件應該是三態(tài)門輸出，因為是多路分時系統(tǒng)，當cpu沒有訪問到時，器件輸出呈現(xiàn)高阻，以利于總線對其他器件的訪問。還有，一些用軟件比較費時的操作應轉給硬件完成。如led動態(tài)顯示，沒有必要一定用intel8155或intel

6、8255硬件接口讓軟件時時為顯示數(shù)字而煞費苦心，完全可以用intel8279或max7218及max7219這些可編程外圍器件來完成，使顯示既漂亮又簡單。當然，到底哪些功能留給硬件完成，哪些功能留給軟件完成，應根據(jù)系統(tǒng)的不同而具體設計。總之，應總體考慮，追求最高的性能價格比。2.單片機分時系統(tǒng)的軟件設計為了合理實現(xiàn)單片機分時系統(tǒng)，還須有完善的調度機制。完善的調度機制主要由調度指針和調度表組成。系統(tǒng)的調度分成兩級，一是“路”的調度，相當于指示程序橫向進行：從第一路的某一作業(yè)到第二路的某一作業(yè)，從第二路的某一作業(yè)再到第三路的某一作業(yè)從最后一路回到第一路，循環(huán)往復?！奥贰闭{度的調度指針變化規(guī)律是固定

7、不變的，算法簡單，即遞增一或遞減一，循環(huán)到頭后，再返回到起始。相對應的“路”調度指針還應構造“路”調度表?！奥贰闭{度表每一項表示各“路”程序入口地址及跳轉指令。以mcs-51單片機為例，采用ajmpaddr11作為每一項的內容，則調度表的每一表項占2個字節(jié)；當程序較長超過2k字節(jié)，則采用ljmpaddr16作為每一項內容，占3個字節(jié)。所設計的單片機系統(tǒng)共有多少“路”，該調度表就有多少項數(shù)。二是作業(yè)調度，即相當于指示程序縱向進行：從某一路的第一作業(yè)指向該路第二作業(yè)，第二作業(yè)指向第四作業(yè)也有從第六作業(yè)指回第三作業(yè)的等等。因稍復雜任務的流向都不可能是單方向性的，從上一作業(yè)流到下一作業(yè)都要根據(jù)系統(tǒng)的檢

8、測或運算結果來決定，因此作業(yè)調度指針的變化是隨機決定的。作業(yè)調度表的構成形式與“路”調度表相同，每一項表示各作業(yè)模塊的程序入口地址及跳轉指令。作業(yè)調度表指示出各作業(yè)執(zhí)行的一般先后次序，表項數(shù)等于一路任務的最大作業(yè)數(shù)。為了分清每路的任務進程，單片機系統(tǒng)要控制多少路就必須有多少個作業(yè)調度指針及相應作業(yè)調度表。以上兩級指針都為1個字節(jié)的整數(shù)變量。調度指針與調度表的聯(lián)系是通過指令jmpa+dptr實現(xiàn)的。dptr中是調度表的首地址。累加器a中的內容是調度指針的整數(shù)倍，若表項內容是ajmpaddr11，則a的值為調度指針乘2；若表項內容是ljmpaddr16，則a的值為調度指針乘3。除了以上主程序的調度

9、設計外，各個作業(yè)中共同的功能應放在中斷中實現(xiàn)，主要是放在定時器中斷。如計時功能應放在定時器定時中斷中實現(xiàn)，定時參數(shù)的選擇應考慮到系統(tǒng)各個作業(yè)中各種計時的要求，定時頻率一般為最小計時頻率的整數(shù)倍。任何軟件延時都是不允許的。實現(xiàn)分時控制的關鍵是在于合理地將系統(tǒng)的功能分解成各個作業(yè)模塊。作業(yè)模塊分得越細系統(tǒng)的實時性就越好。雖然單片機的時鐘頻率較低，在實際應用中當各個作業(yè)模塊被細分成各個“動作”及簡單的運算后，分時系統(tǒng)的實時性是能得到保證的。缺點就是各“路”的控制處理程序被分割得支離破碎，模塊化得不到保證。二、應用實例1.系統(tǒng)硬件及工作原理賓館用的視頻點播系統(tǒng)vod（videoondemand）中，從

10、各個機定盒送出的上行信號用dtmf碼通過電話線傳輸?shù)綑C房的主控制柜中的上行信號采集卡中。為了能同時接受多個用戶的點播操作，上行信號采集卡必須有接受多路電話傳輸信息的功能，為此，筆者設計了8路電話采集卡，可同時接受8路用戶的點播操作，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。3.幾點技巧待添加的隱藏文字內容28路電話信息采集卡的編程中，為了使程序更精練，筆者應用以下3個技巧：因為這8路的工作是相同的，程序可以共用，只須再構造1“路”地址表，每一表項含有本路的輸入鎖存器地址、輸出鎖存器地址、dtmf碼存放ram地址、計時單元地址。這樣可以省掉“路”調度表，因為各路相同作業(yè)的入口地址是相同的。根據(jù)“路”指針的不同，帶

11、入該“路”的地址表項，即可用相同的程序對8路分別控制操作。定時器中斷設置成4ms一次，這是因為電話振鈴是25hz，檢測腳保持低電平的時間為10ms，它是最低的計時值。當振鈴檢測腳低電平保持時間少于8ms時可認為是干擾。每一路都有自己的計時單元，每次定時器中斷后，在定時服務自程序中各路計時單元自動加1。在上一次作業(yè)中將計時單元請0，下一次作業(yè)讀出計時單元的值，延時值即為該值乘以4ms。這樣任何延時都不占用cpu機時。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是8路共有的操作，采用共同的模塊。數(shù)據(jù)的鏈接是通過開辟緩沖區(qū)實現(xiàn)的，有發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，采用4800baud的波特率。一般程序的串行數(shù)據(jù)發(fā)送時，都須要檢測ti位的變化來判斷1字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成，由此決定可否發(fā)下一字節(jié)數(shù)據(jù)。應用到分時系統(tǒng)是行不通的，這要占用cpu機時，因為采用4800baud的波特率，則每一字節(jié)的發(fā)送時間少于4ms。當發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，可在定時器中斷服務自程序中發(fā)送。每一